12. Армированные бетоны

Прочность при сжатии у бетонов, как и у всех каменных материалов, значительно больше (в 1,5–20 раз) прочности при растяжении: если прочность при сжатии конструктивных бетонов колеблется в пределах 150–600 кг/см², то их прочность при растяжении равна всего 10–30 кг/см². Поэтому, несмотря на исключительные достоинства бетона: прочность, долговечность, возможность изготовления конструктивных элементов практически любой формы и протяженности, применение его все же ограничивается конструкциями, работающими только на сжатие. Вместе с тем имеются материалы, обладающие высокой прочностью на растяжение, но не позволяющие приготовлять конструкции с большой пространственной жесткостью и обладающие достаточной стойкостью против воздействия внешней среды. Например, сталь имеет прочность на растяжение от 2000 до 25000 кг/см², асбест 30000 кг/см² – одного кристалла и 600 кг/см² – асбестового волокна, древесина – 400–1200 кг/см², органические смолы – более 350 кг/см².

Но сталь поддается коррозии, древесина гниет и горит, смолы горят и стареют, из асбеста изготовить конструкцию просто невозможно. Это обстоятельство обусловливает стремление комбинировать в конструкции различные по свойствам материалы с тем, чтобы хорошо сопротивляющиеся растяжению сталь и асбест, а также полимерные материалы и в некоторых случаях древесина, армировали бетон, увеличивая его прочность при растяжении. Так, в середине прошлого столетия появились железобетон, а позднее – армоцемент, асбоцемент и полимербетон.

12.1. Железобетон

В современном строительстве железобетон, т. е. бетон, армированный стальными стержнями различного диаметра, расположенными в направлении усилий растяжения, стал одним из основных конструктивных материалов. Объясняется это удачным сочетанием свойств соединяемых материалов. К ним относятся:

а) практически одинаковый коэффициент термического расширения (7–1510^-6 – у бетона и 1210^-6 – у стали);

б) хорошее сцепление (примерно 0,2 R_сж ) поверхностей бетона и стали за счет заполнения цементным камнем всех неровностей на поверхности арматуры, обжатия арматуры при высыхании цементного геля и химического взаимодействия между окисью кальция цемента и окисью железа поверхностного слоя арматуры;

в) бетон защищает металл от коррозии за счет создания щелочной среды в виде раствора Са(ОН)₂ с рН = 12,65 и препятствия проникновению воздуха.

Сочетание бетона с металлом позволяет значительно улучшить его качество и расширить область применения. Так, например, из смеси песка, цемента и стальной стружки изготовляют материал, получивший название стальбетон. По прочности на сжатие он не уступает некоторым магматическим горным породам, очень стоек на истирание и против ударных нагрузок. Применяется стальбетон для покрытия полов в промышленных зданиях с интенсивным движением.

Все более широкое применение в строительстве приобретает армоцемент, из которого изготовляют тонкостенные своды-оболочки для перекрытия больших пролетов, например, промышленных зданий, зимних стадионов, выставочных павильонов и т. п. Изготовляют армоцемент из нескольких слоев металлической сетки, сцементированных цементно-песчаным раствором.

Комбинируя металлические стержни и сетки, изготовляют арматурные каркасы, укладывают или устанавливают их в опалубку, которую потом заполняют бетонной смесью. Таким способом можно изготовить пространственный скелет сооружения, например, многоэтажного здания, проемы в котором заполняются штучными материалами: кирпичом, блоками или панелями. Конструкции, изготовляемые на месте их будущей службы и включающие все необходимые элементы железобетонного сооружения, называются монолитными.

Однако армирование каркасами недостаточно эффективно, так как у бетона и стали имеется значительное различие в деформативной способности при действии нагрузки. Так, у бетона предельная деформация, по достижении которой следует разрушение, равна 0,1–0,2 мм/м, или, считая предел прочности бетона при растяжении R_б = 30 кг/см², каждый килограмм напряжений дает удлинение на 0,0033–0,0066 мм/м. У стали же, в зависимости от ее особенностей, в стадии упругих деформаций предельная величина удлинения не превышает 0,001 мм/м на каждый килограмм нагрузки. Поэтому при загружении железобетонной конструкции (принимая, что деформации в бетоне и арматуре одинаковы) напряжения в арматуре нарастают быстрее, чем в бетоне (рис. 12.1, а). Но к тому моменту, когда деформации бетона (l_б ) достигнут предельной величины, за которой следует разрушение, напряжение в арматуре еще значительно (раз в 10) ниже расчетных (_а) (рис. 12.1, а). Следовательно, для сохранения целостности конструкции необходимо снижать величину расчетных напряжений в арматуре, т. е. идти на недопустимо большой перерасход металла либо соглашаться с тем, что в бетоне появятся трещины, ускоряющие коррозию и арматуры и бетона. Кроме того, способность бетона сопротивляться растягивающим напряжениям при этом совершенно не используется.

Для того, чтобы создать условия для совместной работы арматуры и бетона, видимо, следует арматуру натягивать, создавая в ней удлинение, как минимум, равное величине (l_а –l_б) (рис. 12.1, б). В этом случае в момент достижения бетоном предельных деформаций (или несколько ранее) напряжения в арматуре достигнут расчетной величины (R_а) и будут работать как одно целое. Таким способом можно уменьшить расход арматуры, так как часть напряжений будет воспринимать бетон.

В строительной практике в настоящее время применяют несколько способов армирования бетона.

Первый – наиболее распространенный способ, обычный – когда арматура в виде каркасов или сеток укладывается в форму, которая потом заполняется бетонной смесью.

Второй способ – предварительное напряжение арматуры – когда арматура в виде стержней или канатов натягивается до соответствующего удлинения и в таком состоянии закрепляется на форме. В форму затем укладывается бетонная смесь, которая, затвердевая, фиксирует напряжение арматуры. Соответствующее удлинение создают путем нагревания арматурных стержней или натягиванием их с помощью домкратов. Этот способ неудобен тем, что для его осуществления требуются массивные, очень жесткие формы, так как до затвердевания бетона они воспринимают на себя все усилия растянутой арматуры. Поэтому иногда бетон армируют предварительно напряженными брусками из цементно–песчаного раствора, в котором замоноличен натянутый стержень.

Третий способ – последующее напряжение арматуры. В этом случае сначала изготовляется бетонная часть конструкции, в которой оставляют отверстия или пазы для арматурных стержней. Эти стержни натягиваются домкратами и фиксируются по концам конструкции специальными зажимами. После этого для защиты арматуры от коррозии пазы или каналы в бетоне заполняются цементно-песчаным раствором.

В современном жилищном строительстве основными являются монолитное и сборно-монолитное домостроение. Использование железобетонных конструкций, изготовляемых в заводских условиях, позволяют не только оптимизировать строительные процессы, сокращать расходы. В малоэтажном строительстве наибольшее распространение получила сборно-монолитная система, основанная на использовании элементов заводского изготовления в сочетании с монолитными процессами.

В монолитном бетоне практически можно осуществить только армирование брусками, о которых говорилось выше. Поэтому основная масса напряженно-армированного бетона изготовляется на специальных заводах и полигонах железобетонных изделий (ЗЖБИ). Естественно, что изготовить на заводе и доставить к месту строительства какую-то сложную конструкцию, например, каркас здания, сложно, а иногда и просто невозможно; тогда ее изготовляют по частям. Так, на ЗЖБИ изготовляют колонны, башмаки колонн, балки, фермы, плиты покрытий, лестничные марши и т. п., из которых на месте строительства собирают конструкцию. Поэтому все многообразие изготовляемых на заводах деталей называют сборным железобетоном.

Технология сборного железобетона состоит из следующих операций:

а) приготовление бетонной смеси заданного состава;

б) приготовление арматуры (подготовка арматурных стержней, сварка каркасов и т. п.);

в) очистка и сборка форм;

г) укладка в формы каркасов и натяжение арматурных стержней;

д) заполнение формы бетонной смесью (чаще всего на вибростоле, иногда с применением площадочных и глубинных вибраторов);

е) твердение бетона (обычно в пропарочных камерах при нормальном давлении, иногда в автоклавах при повышенном давлении или, редко, в естественных условиях);

ж) распалубка изделий, их осмотр и испытания органами технического контроля, складирование.

Осуществляется этот комплекс операций по трем вариантам:

а) стендовый, когда все операции, за исключением первых двух, производятся на одном месте – стенде;

б) поточно-агрегатный – каждая операция производится на специальном посту, куда форма переносится краном или передвигается по рельсам;

в) конвейерный – все операции проводятся на непрерывно движущемся конвейере в виде ленты или комплекса тележек.

Сборный железобетон имеет ряд преимуществ перед монолитным. Это:

– индустриализация процесса возведения сооружения;

– экономия материалов: цемента – за счет использования жестких смесей, арматуры – за счет предварительного напряжения и опалубки – за счет увеличения оборачиваемости форм;

– ускорение ввода конструкций в частичную или полную эксплуатацию;

• повышение надежности – за счет улучшения технического контроля.

Существенным недостатком пока остаётся проблема стыка элементов конструкций и надежность их замоноличивания, но нет сомнения, что она будет успешно решена. Эта уверенность обусловливает непрерывный рост доли сборного железобетона в общем объеме производства бетона в нашей стране и за рубежом.

Новым бетоном является сталефибробетон. Сталефибробетон представляет собою бетон, в котором стержневая арматура заменяется стальным волокном (фиброй), добавляемой в определенной пропорции. В результате сокращаются все процессы, связанные с резкой, гибкой, укладкой стержней.